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    李瑞榮（1965—）
副教授，研究方向為電傳動控制、計算機在工業(yè)過程中的應(yīng)用等。

摘要：本文討論了變電站自動化系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，并提出了一個構(gòu)建在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)之上，采用PLC作為控制單元的變電站自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：變電站自動化；現(xiàn)場總線；PLC；WinCC

Abstract: This paper discusses the generic architecture of substation automation system and puts forward a substation automation system solution based on Fieldbus with PLC as its control unit.

Key words: Substation Automation System；Fieldbus；PLC；WinCC

1　引言

    變電站綜合自動化系統(tǒng)是利用計算機軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動化技術(shù)對在線運行的變電站全部設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)視、測量、保護(hù)、控制和管理的自動化系統(tǒng)。它集繼電保護(hù)、故障濾波、本地監(jiān)控和遠(yuǎn)動等變電站二次系統(tǒng)的功能于一體，對變電站進(jìn)行全方位的控制和管理，完全取代了常規(guī)監(jiān)視儀表、操作控制屏柜、模擬屏柜、中央信息系統(tǒng)、變送器及常規(guī)遠(yuǎn)動裝置等設(shè)備，提高了變電站的安全與經(jīng)濟(jì)運行水平。變電站綜合自動化系統(tǒng)全面取代或更新傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)已成為當(dāng)前主要的發(fā)展趨勢之一。

2　變電站自動化系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

    從上世紀(jì)八十年代到現(xiàn)在，變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有了很大變化，總括來說，一般可以將變電站自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)劃分為集中式、分布集中式、分層（散）分布式三種[1]。各種結(jié)構(gòu)形式的變電站自動化系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能、適用的場合各有所不同，在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)時可根據(jù)具體要求選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

    2.1　集中式結(jié)構(gòu)

    集中式結(jié)構(gòu)是將變電站的全部信息（模擬量、開關(guān)量、脈沖量）輸入到一套計算機系統(tǒng)中并由計算機系統(tǒng)進(jìn)行集中采集、集中處理和集中監(jiān)控的系統(tǒng)。該類系統(tǒng)實際上是在常規(guī)的繼電保護(hù)及二次接線的基礎(chǔ)上，增設(shè)RTU以實現(xiàn)“四遙”功能。

    2.2　分布集中式結(jié)構(gòu)

    分布集中式按功能或間隔劃分控制單元，每個控制單元負(fù)責(zé)實現(xiàn)一定的功能，或負(fù)責(zé)一個間隔設(shè)備的控制。分布集中式結(jié)構(gòu)的各個單元集中在控制室組屏安裝。各個控制單元之間采用串行總線進(jìn)行控制，而控制單元與控制設(shè)備之間的二次接線仍然是采用一對一的方式。

    2.3　分層分布式結(jié)構(gòu)
   
    分層分布式結(jié)構(gòu)以電氣一次回路設(shè)備或電氣間隔設(shè)備為控制對象劃分控制單元，各間隔層設(shè)備控制單元分散安裝在開關(guān)柜上或其他一次設(shè)備附近，各個控制單元各自完成各自間隔層內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、保護(hù)、遠(yuǎn)動等全面控制功能。

圖1  分層分布式變電站

圖3  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    監(jiān)控PC采用Windows 2000 Server中文版作為操作系統(tǒng)。監(jiān)控PC采用工業(yè)控制計算機，在監(jiān)控PC的PCI插槽中安裝一塊5611通訊網(wǎng)卡，作為PC與DP總線的通信接口，構(gòu)成2類DP主站。

    DP主站在系統(tǒng)中完成系統(tǒng)總體控制和通訊管理功能，使用自帶的DP接口與DP總線連接。這個CPU本身集成了16點數(shù)字量輸入和16點數(shù)字量輸出，作為手動控制功能，我們在控制系統(tǒng)中設(shè)計了一個控制盤，可以在控制盤中采用按鈕控制整個配電所，因此增加了一塊16點數(shù)字量輸入信號模塊SM321，以提供足夠的數(shù)字量輸入點。

    DP從站采用SIEMENS的S7-200系列小型PLC中的CPU224，以節(jié)省系統(tǒng)成本。S7-200本身不帶DP通訊口，因此每個子站需要插入一塊專用的DP通訊模塊EM277，才能構(gòu)成DP從站。由于采用了分散控制的方式，每個從站只控制一條線路，因此集成的14點數(shù)字量輸入和10點數(shù)字量輸出已經(jīng)足夠，只需添加模擬量輸入模塊EM231，作為模擬量輸入擴展。各電壓、電流和有功、無功等電量參數(shù)采用廣東雅達(dá)電子公司的YD系列變送器采集，由變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0~20mA信號后通過EM231輸入到CPU224中。

    S7-300和S7-200分別采用西門子公司的功能強大的STEP 7 5.3和STEP 7-Micro/WIN組態(tài)軟件作為編程工具。

    3.3　上位機與監(jiān)控組態(tài)軟件

    上位監(jiān)控PC負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、報警和對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、查詢和顯示、打印等功能。同時還需將現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到上級信息管理層的控制中心，并能接受控制中心操作員站指令，轉(zhuǎn)發(fā)給下層設(shè)備，因此，監(jiān)控PC還承擔(dān)了下層設(shè)備層和上層信息網(wǎng)絡(luò)之間的中繼功能，以實現(xiàn)設(shè)備層和上層信息管理層的通訊。

    利用WinCC提供的組態(tài)和編程工具，本系統(tǒng)實現(xiàn)下列變電站自動化系統(tǒng)的常見功能。

    （1）利用圖形編輯工具，建立了圖形操作界面，實現(xiàn)了圖形監(jiān)視和操作功能。圖形監(jiān)視功能包括：所有監(jiān)控數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)視，所有斷路器的分、合閘情況的動態(tài)顯示，及線路與設(shè)備帶電情況的動態(tài)跟蹤。圖形操作功能包括：各主設(shè)備的分、合閘操作，系統(tǒng)保護(hù)定值的動態(tài)修改。

    （2）利用變量記錄編輯器對過程變量進(jìn)行歸檔，并對歸檔數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，以圖表和趨勢曲線的方式在圖形界面上顯示。

    （3）利用報警編輯器建立了斷路器變位報警和模擬量越限報警，實現(xiàn)SOE功能。

    （4）利用WinCC提供的API函數(shù)，編寫C腳本程序中實現(xiàn)了雙操作員登錄驗證，保證操作安全。

4 　結(jié)語

    分層分布式變電站自動化系統(tǒng)采用總線控制方式，控制單元可在間隔設(shè)備附近就近安裝，大大減少了二次系統(tǒng)接線的數(shù)量和長度，提高了系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與IEC61850建議的變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相符，非常適合于用作變電站系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。PLC作為一種通用的智能電子設(shè)備，性能可靠，使用方便，易于編程，相信其在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍將會日益擴大。

    WinCC提供了豐富的圖形操作功能、數(shù)據(jù)記錄、報警記錄功能，和報表系統(tǒng)，本身又是電力系統(tǒng)監(jiān)控軟件PowerCC的重要組成部分，作為SCADA/HMI軟件，非常適合于變電站自動化系統(tǒng)。它與自動化系統(tǒng)和自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的緊密結(jié)合，使用戶可以輕松地實現(xiàn)由監(jiān)控端到控制系統(tǒng)低層的無縫集成。

參考文獻(xiàn)

    [1] 程躍森. 變電站綜合自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[J]. 河南電力, 2004, (l).

    [2] IEC 61850-1. Communication networks and systems in substations. Part 1: Introduction and Overview, 2001.

    [3] 崔堅, 李佳. 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南(上冊)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.

作者信息：

    李瑞榮，童巧新 （廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣東  廣州  510430）